结构仿真(迈达斯)试验指导书

1、结构力学结构仿真试验 指导书 仿真试验包含三个试验内容1、桁架仿真计算2、连续梁仿真计算3、刚架仿真计算 结构力学结构仿真实验课程：桁架结构指导书1. 桁架结构概述通过下面的例题，比较内部1次超静定桁架和内、外部1次超静定桁架两种结构在制作误差产生的荷载和集中力作用时结构的效应。内部1次超静内、外部1次超静定制作误差5mm制作误差5mm图 1.1 分析模型Ø 材料钢材类型 : Grade3Ø 截面数据 : 箱形截面 300×300×12 mmØ 荷载1. 节点集中荷载 : 50 tonf2. 制作误差 : 5 mm à 预张力荷载(1

2、41.75 tonf)P = Kd = EA/L x d = 2.1 x 107 x 0.0135 / 10 x 0.005 = 141.75 tonf设定基本环境打开新文件以 桁架分析.mgb为名存档。设定长度单位为 m, 力单位为 tonf。文件/ 新文件文件/ 保存 ( 桁架分析 )工具 / 单位体系长度 > m ; 力> tonf ¿图 1.2 设定单位体系设定结构类型为 X-Z 平面。模型/ 结构类型 结构类型 > X-Z 平面 ¿定义材料以及截面构成桁架结构的材料选择Grade3（中国标准），截面以用户定义的方式输入。模型 / 特性/ 材料设计

3、类型 > 钢材规范 > GB(S) ; 数据库 > Grade3 ¿模型 / 特性 / 截面数据库/用户 截面号 ( 1 ) ; 形状 > 箱形截面 ; 名称 (300x300x12 ) ; 用户（如图2.4输入数据）¿图1.3 定义材料 图 1.4 定义截面建立节点和单元首先建立形成下弦构件的节点。正面 捕捉点 (关) 捕捉轴线 (关) 捕捉节点 (开) 捕捉单元(开) 自动对齐 (开)模型 / 节点/ 建立节点坐标系 (x , y, z ) ( 0, 0, 0 ) ¿图 1.5 建立节点用扩展单元功能建立桁架下弦。 ² 参考在

4、线用户手册的“单元类型”的 “框架单元” 部分单元类型为桁架单元。²模型 / 单元 / 扩展单元 全选扩展类型 > 节点 à 线单元单元属性 > 单元类型 > 桁架单元材料>1: Grade3 ; 截面>1: 300x300x12 ; Beta 角 ( 0 )一般类型 > 复制和移动 ; 复制和移动 > 等距离dx, dy, dz ( 6, 0, 0 ) ; 复制次数( 3 ) ¿ZX图 1.6 建立下弦复制下弦建立桁架上弦。 模型 / 单元 / 复制和移动单元 单元号 (开) 单选 ( 单元: 2 )形式 > 复制

5、; 移动和复制> 等距离dx, dy, dz ( 0, 0, 8 ) ; 复制次数 ( 1 ) ¿图 1.7 建立上弦输入倾斜杆和竖向杆件。模型 / 单元 / 建立单元 单元号 (关), 节点号 (开)单元类型 >桁架单元材料>1: Grade3 ; 截面>1: 300x300x12交叉分割 > 单元 (关)节点连接 (1, 5) (5, 2) (2, 6) (5, 3) (6, 3) (6, 4)8图 1.8 输入斜杆以及竖向杆件输入边界条件² 关于支座条件的详细事项参照在线帮助手册的 “自由度约束条件”部分 3维空间里节点有6个自由度(Dx

6、, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz)。但结构类型为 X-Z平面，所以只剩3个自由度 (Dx, Dz, Ry)。 铰支座约束自由度Dx, Dz, 滚动支座约束自由度Dz。²模型 / 边界条件 / 一般支承 单选 ( 节点 : 1 ) 选择 > 添加; 支承条件类型 > Dx, Dz (开) ¿ 单选 ( 节点 : 4 ) ; 支承条件类型 > Dz (开) ¿图 1.9 输入支撑条件输入荷载定义荷载工况荷载 / 静力荷载工况名称 ( 节点荷载 ) ; 类型 > 用户定义的荷载（USER）名称 ( 制作误差 ) ; 类型 > 用户定

7、义的荷载（USER） ¿图 1.10 输入荷载工况输入节点荷载在节点2输入集中荷载50 tonf。 荷载 / 节点荷载s 单选 ( 节点 : 2 )荷载工况名称> 节点荷载 ; 选择 > 添加节点荷载 > FZ ( -50 ) ¿图 1.11 输入节点荷载输入制作误差长度小了 5 mm 的构件在实际施工时会产生拉力。为了把这个反映在模型当中,把制作误差换算为初拉力荷载输入到对应的杆件中。P = Kd = EA/L x d = (2.1 x 107 x 0.0135 / 10) x 0.005 = 141.75 tonf荷载 /预应力荷载/初拉力荷载 单选

8、( 单元: 8 )荷载工况名称> 制作误差选择 > 添加; 初拉力荷载 ( 141.75 ) ¿ 8图 1.12 输入初拉力荷载复制单元复制模型 1来建立模型 2. 为了同时复制输入在模型 1的节点荷载、初拉力荷载和边界条件，利用复制节点属性和复制单元属性功能来完成。 模型 / 单元 / 复制和移动单元 全选 形式 > 复制; 复制和移动 > 等距离dx, dy, dz ( 0, 0, -14 ) ; 复制次数 ( 1 )复制节点属性 (开), 复制单元属性 (开) ¿模型1模型2图 1.13 复制单元更改边界条件为了把模型 2改为外部1次超静定的结

9、构，定义为滑动铰支座的节点的支撑条件修改为限制X方向移动的铰接条件。 显示边界条件 >一般支承 (开) ¿模型 /边界条件/ 一般支承 单选 ( 节点 : 10 )选择 > 添加 支承条件类型> Dx (开) ¿图 1.14 变更支座条件运行结构分析运行结构分析. 分析/ 运行分析查看分析结果反力比较外部静定结构（模型1）和外部超静定（模型2）的外部节点荷载引起的反力。可以看出模型 1发生水平 方向反力。 节点号 (关) 显示边界条件 > 一般支承 (关) ¿结果 / 反力 / 反力荷载工况/荷载组合> ST:节点荷载 ; 反力 &g

10、t; FXYZ显示类型> 数值 (开), 图例 (开) ¿数值 小数点以下位数 ( 3 ) ; 指数型(关) ; 适用于选择确认(开¿模型1模型2图 1.15 对节点荷载的反力内部初拉力荷载在外部静定的模型 1的情况不产生反力，但模型 2的情况的X方向的位移自由度被约束而会产生水平方向的反力(FX)。 结果 / 反力 / 反力/弯矩荷载工况/荷载组合> ST:制作误差 ; 反力 > FXYZ显示类型 > 数值 (开), 图例 (开) ¿模型1模型2图 1.16 初拉力荷载下的反力查看变形图查看节点荷载的引起的变形图。 DXZ=. 结果 /位

11、移/ 位移形状 消隐 (开)荷载工况/荷载组合> ST:节点荷载 ; 成分> DXZ显示类型 > 变形前 (开), 数值 (开), 图例 (开) 数值 小数点以下位数 ( 1 ) ; 指数型(开) ; 适用于选择确认时(开) ¿模型1模型2 图 1.17 节点荷载引起的变形图查看内力首先查看节点荷载产生的轴力（axial force）。查看相同荷载作用下的模型1和模型2的内力之差。结果 / 内力 / 桁架单元内力荷载工况/荷载组合> ST:节点荷载 ; 选择内力 > 受拉显示类型 > 变形 (开), 数值 (开), 图例 (开)数值 小数点以下位数

12、 ( 1 ) ; 指数型(关) ; 显示角度 (关) 适用于选择确认时 (关) ¿数值的输出位置> 最大值 ¿² 选择内力选择 “受拉”则只输出受拉构件的轴力, 选择“受压”则只输出受压构件轴力，选择“全部”则输出全部构件的轴力。图 1.18 节点荷载产生的轴力在初拉力荷载下模型1的支座处不产生反力, 所以连接在支座处的构件不产生轴力。结果 / 内力/ 桁架单元内力荷载工况/荷载组合> ST:制作误差选择内力> 全部显示类型 > 变形 (开), 数值 (开), 图例 (开)数值的输出位置 > 最大值 ¿模型1 模型2 图 1

13、.19 初拉力荷载下的轴力习题1. 比较下面结构物产生的压力以及拉力情况。（材料和截面与例题相同） 2. 求下面结构在节点荷载和制作误差作用下的各个构件的轴力。（材料和截面与例题相同）制作误差结构力学结构仿真实验课程：连续梁例题指导书2. 连续梁分析概述比较连续梁和多跨静定梁受均布荷载和温度荷载（上下面的温差）时的反力、位移、内力。 3跨连续两次超静定3跨静定3跨连续1次超静定图 2.1 分析模型Ø 材料钢材: Grade3Ø 截面数值 : 箱形截面 400×200×12 mmØ 荷载1. 均布荷载 : 1.0 tonf/m2. 温度荷载 :

14、T = 5 (上下面的温度差)设定基本环境打开新文件，以连续梁分析.mgb为名存档。单位体系设定为m和tonf。 文件/ 新文件文件/ 存档 (连续梁分析 )工具 / 单位体系长度> m ; 力 > tonf ¿ 图 2.2 设定单位体系设定结构类型为 X-Z 平面。模型 / 结构类型 结构类型> X-Z 平面 ¿设定材料以及截面材料选择钢材GB（S）（中国标准规格），定义截面。 模型 / 材料和截面特性 / 材料名称( Grade3)设计类型 > 钢材规范> GB(S) ; 数据库> Grade3 ¿模型 / 材料和截面特性

15、/ 截面截面数据截面号 ( 1 ) ; 截面形状 > 箱形截面 ;用户：如图输入 ; 名称> 400×200×12 ¿²选择“数据库”中的任意材料，材料的基本特性值（弹性模量、泊松比、线膨胀系数、容重）将自动输出。 图 2.3 定义材料 图 2.4 定义截面建立节点和单元为了生成连续梁单元，首先输入节点。²参照用户手册的“输入单元时主要考虑事项” 正面, 捕捉点 (关), 捕捉轴线 (关) 捕捉节点 (开), 捕捉单元 (开), 自动对齐模型 / 节点 / 建立节点坐标 ( x, y, z ) ( 0, 0, 0 ) ¿图

16、 2.5 建立节点用扩展单元功能来建立连续梁。 模型 / 单元/ 扩展单元 全选²输入梁单元. 关于梁单元的详细事项参照在线帮助的 “单元类型”的 “梁单元” 部分扩展类型 > 节点à 线单元单元属性> 单元类型 > 梁单元 ²材料 > 1:Grade3 ; 截面> 1: 400*200*12 ; Beta 角 ( 0 )生成形式> 复制和移动 ; 复制和移动 > 任意间距方向> x ; 间距 ( 35/3, 810/8, 35/3 ) ¿ZX图 2.6 建立单元输入边界条件3维空间的节点有6个自由度 (D

17、x, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz)。但结构类型已设定为X-Z平面（程序将自动约束Y方向的位移Dy和绕X轴和Z轴的转动Rx,Rz），所以只剩下3个自由度 (Dx, Dz, Ry)。铰支座约束自由度Dx, Dz, 滚动支座约束自由度 Dz。模型 /边界条件 / 一般支承 节点号 (开) 单选 (节点 : 4 ) 选择>添加 ; 支承条件类型 > Dx, Dz (开) ¿单选(节点: 1, 12, 15 ) ; 支承条件类型 > Dz (开) ¿ 图2.7 输入边界条件输入荷载定义荷载工况为输入均布荷载和温度荷载，首先定义荷载工况荷载 / 静力荷载工况

18、名称 (均布荷载) ; 类型 > 用户定义的荷载（USER）名称 (温度荷载) ; 类型 > 用户定义的荷载（USER） ¿图2.8 输入荷载条件输入均布荷载 ²荷载方向与整体坐标系Z轴方向相反，输入荷载为“-1”。给连续梁施加均布荷载 1 tonf/m。 ²荷载 / 梁单元荷载（单元） 节点号 (关) 全选荷载工况名称> 均布荷载 ; 选择 > 添加荷载类型>均布荷载 ; 方向>整体坐标系 Z ; 投影>否数值 >相对值 ; x1 ( 0 ) ; x2 ( 1 ) ; W ( -1 ) ¿图 2.9 输入

19、均布荷载输入温度荷载 输入连续梁的上下面温度差(T = 5)。输入温度差后，根据材料的热膨胀系数、温差引起的梁截面产生的应力考虑为荷载。显示 梁单元荷载（关）荷载 / 温度梯度荷载 全选荷载工况名称> 温度荷载 ; 选择 > 添加 ; 单元类型> 梁温度梯度 > T2z-T1z ( 5 ) ¿ 图 2.10 输入温度荷载 复制单元复制连续梁(模型 1)来建立多跨静定梁(模型 2,模型 3)。为了同时复制连续梁(模型1)均布荷载、温度荷载、边界条件，使用复制节点属性和复制单元属性功能。 显示边界条件>一般支承 (开)模型 / 单元 / 单元的复制和移动 全

20、选 形式 > 复制 ; 移动和复制 > 等间距dx, dy, dz ( 0, 0, -5 ) ; 复制次数 ( 2 )复制节点属性 (开), 复制单元属性 (开) ¿模型 1模型 2模型 3图 2.11 复制单元输入铰接条件 在复制的连续梁输入内部铰支座来建立多跨静定梁。 ²关于内部铰支的详细说明参照在线帮助的 “释放梁端约束” 部分在梁单元的端部使用释放梁端约束功能来生成铰接条件。²模型 / 边界条件/释放梁端约束 单元号(开) 单选 ( 单元 : 19, 23, 33 )选择 > 添加/替换 选择释放和约束比率 > j-节点 >

21、My (开), Mz (开) (或 ) ¿模型 1 模型 2模型 3²生成梁单元时，随着先指定的i节点和后指定的j节点的生成决定坐标系。只要在图标菜单显示的单元表单下打开单元坐标轴和局部方向就可以确认。图 2.12 输入铰支支座运行结构分析对连续梁和多跨静定梁运行结构分析。分析 / 运行分析查看分析结果查看反力比较均部荷载作用下连续梁和多跨静定梁的反力。 单元号(关) 显示边界条件 > 一般支承 (关), 释放梁端约束(开) ¿结果 / 反力和弯矩荷载工况/荷载组合> ST:均布荷载 ; 反力 > FXYZ显示类型 > 数值(开), 图例

22、(开)数值 小数点以下位数 ( 1 ) ; 指数型(关) ; 适用于选择确认时(开) ¿图 2.13 均布荷载引起的反力 以表格的形式查看均布荷载引起的的反力。比较外荷载总合和反力的总合来查看模型的建立和荷载的输入是否恰当。例题Z轴方向荷载为1.0 tonf/m2×20 m×3 = 60 tonf，与表格中Z轴方向的反力（FZ）总和相等。结果 / 分析结果表格 / 反力荷载组合> 均布荷载(ST) (开) ; 温度荷载(ST) (关) ¿图 2.14 反力结果表格比较对温度荷载的反力。结果 / 反力和弯矩荷载工况/荷载组合> ST:温度荷载

23、; 反力 > FXYZ显示类型> 数值 (开), 图例 (开) ¿模型 1模型 2模型 3图 2.15 温度荷载产生的反力查看变形图 查看温度荷载产生的变形图。 DXZ=. 显示边界条件 > 一般支承 (开) ¿结果 / 变形 / 变形形状荷载工况/荷载组合 > ST:温度荷载 ; 变形 > DXZ显示类型>变形前 (开), 图例 (开) ¿模型 1 模型 2模型 3图 2.16 温度荷载产生的变形图 查看内力查看均布荷载产生的结构的弯矩。 结果 / 内力 / 梁单元内力图荷载工况/荷载组合> ST:均布荷载 ; 内力 &

24、gt; My选择显示 > 5 点 ; 不涂色 ; 系数 ( 2.0 )显示类型> 等值线 (开), 数值 (开), 图例 (开)数值 小数点以下位数( 1 ) ; 指数型(关) ; 适用于选择确认时(开) ¿多跨静定梁(模型 2)与连续梁(模型 1)相比，可以看出跨中弯矩减小，但支点弯矩增大的情况。还可以看出，设有一个铰的多跨静定梁（模型3）的铰支点弯矩与（模型2）类似，无铰部分的弯矩与（模型1）类似。图 2.17 节点荷载产生的弯矩查看温度荷载产生的弯矩。温度荷载产生的变形图(图1.16)中，可以看出模型2两边的悬臂梁与中间的简支梁的变形是相互独立的。温度荷载不会约束梁

25、的变形，所以也不会产生内力。结果 / 内力 / 梁单元内力图荷载工况/荷载组合> ST:温度荷载 ; 内力 > My显示选项 > 精确解 ; 不涂色 ; 放大 ( 2.0 )显示类型 >等值线 (开), 数值 (开) 数值 小数点以下位数( 1 ) ; 指数型(关) ; 适用于选择确认时(开) ¿图 2.18 温度荷载产生的弯矩图习题1. 请查看如下图相同跨径的简支梁，多跨静定梁，连续梁及支点部分加强的梁的正弯矩依次减小，而负弯矩依次增大。 8 m结构力学结构仿真实验课程：框架结构指导书3. 框架分析概述计算框架结构在不同荷载作用下的内力和计算支座位移结构内力

26、和变形。Ø 材料弹性模量 : 1.0 kip/ft2Ø 截面截面面积(Area): 1.0 ft2截面惯性矩(Iyy): 1.0 ft4Ø 荷载1 . 给模型的横梁施加1.5 kips/ft 的均布荷载2 .节点2和12施加 (+) X方向的集中荷载 25kips 图 3.1 分析模型本例题是全构件刚体连接的模型1和单元的中间设置铰接的模型2两个模型。查看有无铰接条件两个框架的内力和变形形状的差异。模型 1模型2图 3.2 分析模型设定基本环境打开新文件, 以框架.mgb为名存档。文件/ 新文件文件/ 保存 ( 框架 )设定单位体系和结构类型。 工具 /单位体系

27、长度> ft ; 力> kips ¿ 图 3.3 设定单位体系在分析2维平面的结构的时候，就要约束平面以外的所有自由度。比如X-Z 平面结构,就要约束所有节点的Dy, Rx, Rz 自由度。这种节点约束条件，我们可以把分析范围局限在2维平面上,自动约束平面以外的约束条件。为了便于X-Z平面结构的建模，把X-Z平面定义为用户坐标系 (UCS) x-y 平面。²²参照在线帮助的 “用户坐标系和栅格”部分模型 / 结构类型结构类型>X-Z 平面 ¿模型 / 定义用户坐标系 / X-Z 平面 坐标>原点 ( 0, 0, 0 ) 旋转角度&

28、gt;角度 ( 0 ) ¿ 捕捉轴线 ( 关 ), 正面 (开 )图 3.4 设定用户坐标系在用户坐标系 (UCS) x-y 平面布置 1ft 间隔的点栅格(point grid)。模型 / 定义轴网/ 定义点格栅格间距>dx, dy ( 1, 1 ) ¿图 3.5 设定点栅格定义材料和截面输入材料和截面。为了便于分析用 用户定义类型和 数据类型。模型 / 特性 / 材料一般>名称 ( 材料 ) ; 类型>用户定义 用户定义>规范>无分析数据>弹性模量 ( 1 ) ¿模型 /特性/ 截面数值截面号 ( 1 ) ; 名称( 截面

29、) ; 截面形状>实腹长方形截面截面特性值> 面积 ( 1 ) ; Iyy ( 1 ) ¿ 图 3.6 定义材料 图 3.7 定义截面建立节点和单元用捕捉点栅格建立节点和梁单元 (beam element)。用鼠标编辑功能依次点击UCS坐标系的坐标 (0, 0, 0) 和 (0, 30, 0) 建立单元1。参照点的坐标值可以在画面下端的状态栏上查看(图 3.8 )。 节点号, 单元号模型 / 单元 / 建立单元 单元类型>一般梁/变截面梁材料>1 : 材料 ; 截面>1 : 截面²打开捕捉点功能的话，可用鼠标点击画面上的任意点栅格(grid p

30、oint)来建立节点.交叉分割>节点 ( 开 ) ;单元 ( 开 ) ; 节点连接 ( 1, 2 )8²²U (0, 30, 0)U(0, 0, 0) U (0, 30, 0)²点击 显示选项，可以调节label的大小和字体U(0, 0, 0)图 3.8 建立单元1用鼠标编辑功能依次指定用户坐标系的坐标 (30, 0, 0), (30, 30, 0)和 (0, 30, 0), (30, 30, 0) 建立单元2和单元3 (图 3.9)。被捕捉的用户坐标系(UCS)、整体坐标系(GCS)的坐标值显示在画面下端的状态条里。 图 3.9 建立单元 2,3为了在已建

31、立的单元中央输入铰支点, 用分割单元功能把单元1、2、3等分。只在模型 2中输入铰接条件。模型 /单元 / 分割单元 点格 ( 关 ), 捕捉点 ( 关 ), 全选 分割>单元类型>线单元 ; 等距离x方向分割数量>2 ¿ 图 3.10 分割单元输入边界条件完成了结构建模, 给两个柱的下端部输入固定支承条件。²参照用户手册的 “自由度约束条件”对应的节点以刚体条件约束自由度来反应固定支撑。²模型 / 边界条件 / 一般支承 自动对齐 单选 ( 节点 : 1, 3 )选择>添加 ; 支承条件类型> Dx, Dz, Ry (开) 

32、1;²支撑条件标志的右上的三角形指节点局部坐标系（节点局部坐标系未指定时为整体坐标系）X轴方向的平移自由度，顺时针依次为Y、Z轴方向的平移自由度，绕X、Y、Z轴方向的旋转自由度。 图 3.11 输入支承条件输入荷载定义荷载工况为输入均布荷载和节点荷载，首先定义荷载工况。 荷载 / 静力荷载工况名称 ( 荷载 1 ) ; 类型>用户定义的荷载名称 ( 荷载 2 ) ; 类型>用户定义的荷载 ¿图 3.12 输入荷载工况输入静力荷载给梁单元、节点输入均布荷载、节点荷载(图 3.1)。荷载 / 梁单元荷载(单元) 单选 (单元 : 3, 6 )荷载工况名称>荷载

33、 1 ; 选择>添加 荷载类型>均布荷载 ; 方向>整体坐标系 Z V数值>W ( -1.5 ) ¿荷载 / 节点荷载 单选( 节点 : 2 )荷载工况名称> 荷载 2 ; 选择>添加 节点荷载>FX ( 25 ) ¿图 3.13 输入荷载建立模型 2 为了比较全部刚体连接的模型1和使用3个铰接的模型2的分析结果，建立模型2。用复制和移动功能向右复制模型 1来建立模型2。(图 3.14)模型 /单元 / 复制和移动 全选 形式>复制 ; 移动和复制>等间距dx, dy, dz ( 40, 0, 0 ) ; 复制次数 (

34、1 )²可以同时复制输入在复制对象的边界条件和荷载。复制节点属性, 复制单元属性(开)² ¿复制节点属性 边界条件>一般支承 (开) 静力荷载>节点荷载 (开) ¿ 复制单元属性 静力荷载>梁单元荷载 (开) ¿40 ft 图 3.14 建立模型 2输入内部铰支给模型 2输入内部铰接。激活模型 2，输入边界条件 (Beam End Release).模型 / 边界条件 / 释放梁端约束选择最新建立的个体， 激活 单选 (单元 : 7, 8, 9 ) 选择>添加/替换 选择类型释放比率>i-节点>My, Mz ( 关 ) ¿图 3.15 输入铰接点运行结构分析完成所有框架结构,边界条件以及荷载,运行结构分析. 全部激活 分析 / 运行分析查看分析结果查看变形图查看重力方向荷载(荷载 1)下结构变形图 (deformed shape)。模型 2的梁中间的铰接点上发生了与悬臂梁相似的大变形。结果 / 位移/ 位移形状 荷载工况/荷载组合>ST:荷载1 ; 成分>DXZ